▲ 수직 유기 트랜지스터에는 아노다이징 공정으로 개발된 투과전극(동공-산화막 구조체)이 사용됐다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)이 공정이 간단하고 가격도 저렴한 신개념의 수직 유기 트랜지스터를 개발하는 데 성공해 폴더블폰과 같은 차세대 전자기기의 가격 하락에 기여할 전망이다.

KRISS 나노구조측정센터 임경근 선임연구원과 독일 드레스덴공대 칼 레오 교수 연구팀은 전기화학적 산화공정을 이용하여 수직구조의 유기 트랜지스터를 개발했다고 16일 밝혔다.

주로 광물로부터 얻어지는 무기물과 달리 유기물은 화학 반응만으로 만들 수 있어 소재가 유연하고 제조비용이 저렴하다. 또한 수직구조는 반도체의 공간 제약에서 벗어나 다양한 소자 기능을 결합하고 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

유기 트랜지스터는 디스플레이, 센서, 메모리 등을 가볍고 유연하게 만들 수 있는데다 값싸게 대량 생산까지 가능하여 차세대 반도체 소자로 주목받고 있다. 또한 유기 트랜지스터의 고질적 문제였던 낮은 전하 이동도와 안정성을 해결한 연구결과가 최근 보고되면서 기존 무기 트랜지스터에 대한 대체 가능성이 높아지고 있다.

그러나 유기 트랜지스터는 전극이 수평으로 배열되어 소자 면적이 넓어져 구동전압과 반응시간이 클 뿐만 아니라, 구조적인 문제로 전극에 기생하는 정전용량이 높아 성능이 제한되는 등 상용화에 걸림돌이 많다.

이에 연구팀은 기존 문제점을 극복하기 위해 전극과 유기 반도체를 수직으로 쌓아 배열했다. 전자의 흐름을 수직으로 조절하면 이동거리가 수백 배 짧아져 구동속도가 급격히 빨라진다. 이러한 수직구조에서 핵심은 반도체 층 내부에 있는 투과전극(permeable base)의 성능이다. 연구팀은 기존보다 누설전류를 1만 배 이상 감소시키는 투과전극을 제작하는 데 성공했다.

연구팀은 감귤류 과일에 흔히 존재하는 시트르산이 희석된 수용액에 투과전극을 넣고 전압을 흘려주는 아노다이징(anodizing) 공정을 이용, 수 나노미터의 동공과 산화막이 형성된 투과전극을 제작했다.

이번 기술은 투과전극을 통과하는 전자 흐름을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 비싸고 복잡한 공정 없이 아노다이징 전압의 세기 조절만으로 투과전극을 안정적으로 제작할 수 있어 산업 응용성이 크다.

KRISS 임경근 선임연구원은 “이번 기술로 유기 트랜지스터의 성능이 향상되어 다양한 곳에 응용될 것”이라며 “친환경적인 아노다이징을 활용한 수직 유기 트랜지스터는 저렴한데다 공정이 간단하여 궁극적으로 폴더블폰, 웨어러블 컴퓨터 등의 제조비용도 절감시킬 것”이라고 말했다.

한편 한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 소재분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) (IF 21.950)에 게재됐다.